Granulocyte colony-stimulating factor as a checkpoint of the embryo invasive potential and endometrial receptivity

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) promotes proliferation, survival, and differentiation of myeloid-lineage cells, as well as normal hematopoietic cells. The immunomodulating effects of G-CSF, which consist in stimulating the Th2 biased type immune response, prevent the development of graft-versus-host disease (GvHD) and, as a special case of GvHD, are responsible for the embryo implantation into the endometrium after the embryo transfer. G-CSF stimulates subpopulations of neutrophils, which display anti-inflammatory properties and are involved in tissue regeneration. The increased secretion of annexin A1 and IL-10 ensures the anti-inflammatory and immunomodulating effects of neutrophils. This review article presents data from four meta-analyzes aimed to explore the efficiency of G-CSF on infertile women undergoing in vitro fertilization. These data demonstrate an increase in the embryo implantation rate and clinical pregnancy rate, which is provided by the change in the endometrial receptivity and/or the invasive potential of the developing embryo.

About the authors

Natalya I. Tapilskaya

The Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott; Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Author for correspondence.
Email: tapnatalia@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5309-0087

MD, PhD, DSci (Medicine), Professor, Leading Researcher. The Department of Assisted Reproductive Technologies, The Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott, Saint Petersburg, Russia; Professor. The Department of Obstetrics and Gynecology with the Course of Pediatric and Adolescent Gynecology, Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexander M. Gzgzyan

The Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott; Saint Petersburg State University

Email: iagmail@ott.ru
ORCID iD: 0000-0003-3917-9493

MD, PhD, DSci (Medicine), the Head of the Department of Assisted Reproductive Technologies. The Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott, Saint Petersburg, Russia; Professor. The Department of Obstetrics, Gynecology, and Reproduction, Medical Faculty, Saint Petersburg State University

Russian Federation, Saint Petersburg

Igor Yu. Kogan

The Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott

Email: iagmail@ott.ru
ORCID iD: 0000-0002-7351-6900

MD, PhD, DSci (Medicine), Professor, Corresponding Member of RAS, Interim Director

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Мюллер В.С., Коган И.Ю., Гзгзян А.М., Тапильская Н.И. Использование гранулоцитарного колониестимулирующего фактора в репродуктологии // Доктор.Ру. — 2014. — № 8-1. — С. 6–9. [Myuller VS, Kogan IY, Gzgzyan AM, Tapilʼskaya NI. Using Granulocyte-Colony Stimulating Factor in Reproductive Medicine: Literature Review. Doktor.ru. 2014;(8-1):6-9. (In Russ.)]
  2. Morris ES, MacDonald KP, Rowe V, et al. Donor treatment with pegylated G-CSF augments the generation of IL-10-producing regulatory T cells and promotes transplantation tolerance. Blood. 2004;103(9):3573-3581. https://doi.org/10.1182/blood-2003-08-2864.
  3. Rutella S, Zavala F, Danese S, et al. Granulocyte colony-stimulating factor: a novel mediator of T cell tolerance. J Immunol. 2005;175(11):7085-7091. https://doi.org/10.4049/jimmunol.175.11.7085.
  4. Davidson LM, Coward K. Molecular mechanisms of membrane interaction at implantation. Birth Defects Res C Embryo Today. 2016;108(1):19-32. https://doi.org/10.1002/bdrc.21122.
  5. Cakmak H, Taylor HS. Implantation failure: molecular mechanisms and clinical treatment. Hum Reprod Update. 2011;17(2):242-253. https://doi.org/10.1093/humupd/dmq037.
  6. Nimbkar-Joshi S, Rosario G, Katkam RR, et al. Embryo-induced alterations in the molecular phenotype of primate endometrium. J Reprod Immunol. 2009;83(1-2):65-71. https://doi.org/10.1016/j.jri.2009.08.011.
  7. Bagrov YY, Manusova NB, Frolova EV, et al. Endogenous sodium pump inhibitors, diabetes mellitus and preeclampsia Preliminary observations and a hypothesis. Pathophysiology. 2007;14(3-4):147-151. https://doi.org/10.1016/j.pathophys.2007.09.003.
  8. Knofler M. Critical growth factors and signalling pathways controlling human trophoblast invasion. Int J Dev Biol. 2010;54(2-3):269-280. https://doi.org/10.1387/ijdb.082769mk.
  9. Furmento VA, Marino J, Blank VC, et al. Granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) upregulates beta1 integrin and increases migration of human trophoblast Swan 71 cells via PI3K and MAPK activation. Exp Cell Res. 2016;342(2):125-134. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2016.03.005.
  10. van Rees DJ, Szilagyi K, Kuijpers TW, et al. Immunoreceptors on neutrophils. Semin Immunol. 2016;28(2):94-108. https://doi.org/10.1016/j.smim.2016.02.004.
  11. Villanueva E, Yalavarthi S, Berthier CC, et al. Netting neutrophils induce endothelial damage, infiltrate tissues, and expose immunostimulatory molecules in systemic lupus erythematosus. J Immunol. 2011;187(1):538-552. https://doi.org/10.4049/jimmunol.1100450.
  12. Teng TS, Ji AL, Ji XY, Li YZ. Neutrophils and Immunity: From Bactericidal Action to Being Conquered. J Immunol Res. 2017;2017:9671604. https://doi.org/10.1155/2017/9671604.
  13. den Broeder AA, Wanten GJ, Oyen WJ, et al. Neutrophil migration and production of reactive oxygen species during treatment with a fully human anti-tumor necrosis factor-alpha monoclonal antibody in patients with rheumatoid arthritis. J Rheumatol. 2003;30(2):232-237.
  14. Behnen M, Leschczyk C, Moller S, et al. Immobilized immune complexes induce neutrophil extracellular trap release by human neutrophil granulocytes via FcgammaRIIIB and Mac-1. J Immunol. 2014;193(4):1954-1965. https://doi.org/10.4049/jimmunol.1400478.
  15. Perretti M, Christian H, Wheller SK, et al. Annexin I is stored within gelatinase granules of human neutrophil and mobilized on the cell surface upon adhesion but not phagocytosis. Cell Biol Int. 2000;24(3):163-174. https://doi.org/10.1006/cbir.1999.0468.
  16. Perretti M, Croxtall JD, Wheller SK, et al. Mobilizing lipocortin 1 in adherent human leukocytes downregulates their transmigration. Nat Med. 1996;2(11):1259-1262.
  17. Scannell M, Maderna P. Lipoxins and annexin-1: resolution of inflammation and regulation of phagocytosis of apoptotic cells. Scientific World Journal. 2006;6:1555-1573. https://doi.org/10.1100/tsw.2006.259.
  18. De Santo C, Arscott R, Booth S, et al. Invariant NKT cells modulate the suppressive activity of IL-10-secreting neutrophils differentiated with serum amyloid A. Nat Immunol. 2010;11(11):1039-1046. https://doi.org/10.1038/ni.1942.
  19. Romani L, Mencacci A, Cenci E, et al. Neutrophil production of IL-12 and IL-10 in candidiasis and efficacy of IL-12 therapy in neutropenic mice. J Immunol. 1997;158(11):5349-5356.
  20. Tsuda Y, Takahashi H, Kobayashi M, et al. Three different neutrophil subsets exhibited in mice with different susceptibilities to infection by methicillin-resistant Staphylococcus aureus. Immunity. 2004;21(2):215-226. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2004.07.006.
  21. Eftekhar M, Naghshineh E, Khani P. Role of granulocyte colony-stimulating factor in human reproduction. J Res Med Sci. 2018;23:7. https://doi.org/10.4103/jrms.JRMS_628_17.
  22. Hellberg P, Thomsen P, Janson PO, Brännström M. Leukocyte supplementation increases the luteinizing hormone-induced ovulation rate in the in vitro-perfused rat ovary. Biol Reprod. 1991;44(5):791-797. https://doi.org/10.1095/biolreprod44.5.791.
  23. Brännström M, Bonello N, Norman RJ, Robertson SA. Reduction of ovulation rate in the rat by administration of a neutrophil-depleting monoclonal antibody. J Reprod Immunol. 1995;29(3):265-270. https://doi.org/10.1016/0165-0378(95)00941-D.
  24. Hock DL, Huhn RD, Kemmann E. Leukocytosis in response to exogenous gonadotrophin stimulation. Hum Reprod. 1997;12:2143-2146. https://doi.org/10.1093/humrep/12.10.2143.
  25. Kahyaoglu I, Yilmaz N, Timur H, et al. Granulocyte colony-stimulating factor: A relation between serum and follicular fluid levels and in-vitro fertilization outcome in patients with polycystic ovary syndrome. Cytokine. 2015;74(1):113-116. https://doi.org/10.1016/j.cyto.2014.09.002.
  26. Kendrick TS, Bogoyevitch MA. Activation of mitogen-activated protein kinase pathways by the granulocyte colony-stimulating factor receptor: mechanisms and functional consequence. Front Biosci. 2007;12:591-607. http://dx.doi.org/10.2741/2085.
  27. Knofler M, Pollheimer J. Human placental trophoblast invasion and differentiation: a particular focus on Wnt signaling. Front Genet. 2013;4:190. https://doi.org/10.3389/fgene.2013.00190.
  28. Straszewski-Chavez SL, Abrahams VM, Alvero AB, et al. The isolation and characterization of a novel telomerase immortalized first trimester trophoblast cell line, Swan 71. Placenta. 2009;30(11):939-948. https://doi.org/10.1016/j.placenta.2009.08.007.
  29. Pollard TD, Cooper JA. Actin, a central player in cell shape and movement. Science. 2009;326(5957):1208-1212. https://doi.org/10.1126/science.1175862.
  30. Prast J, Saleh L, Husslein H, et al. Human chorionic gonadotropin stimulates trophoblast invasion through extracellularly regulated kinase and AKT signaling. Endocrinology. 2008;149(3):979-987. https://doi.org/10.1210/en.2007-1282.
  31. Würfel W. Approaches to a better implantation. J Assist Reprod Genet. 2000;17(8):473. https://doi.org/10.1023/ A:1017399518757.
  32. Scarpellini F, Sbracia M, Patella A. G-CSF pharmacologic supplementation in the ART (Assisted Reproductive Technologies) treatment cycles of low responder women. J Reprod Immunol. 2009;81:158-159. http://hdl.handle.net/11392/1400204.
  33. Ledee N, Gridelet V, Ravet S, et al. Impact of follicular G-CSF quantification on subsequent embryo transfer decisions: a proof of concept study. Hum Reprod. 2013;28(2):406-413. https://doi.org/10.1093/humrep/des354.
  34. Shibata T, Makinoda S, Waseda T, et al. Granulocyte colony-stimulating factor as a potential inducer of ovulation in infertile women with luteinized unruptured follicle syndrome. Transl Res. 2016;171:63-70. https://doi.org/10.1016/j.trsl.2015.10.003.
  35. Pillay J, den Braber I, Vrisekoop N, et al. In vivo labeling with 2H2O reveals a human neutrophil lifespan of 5.4 days. Blood. 2010;116(4):625-627. https://doi.org/10.1182/blood-2010-01-259028.
  36. Takasaki A, Ohba T, Okamura Y, et al. Clinical use of colony-stimulating factor-1 in ovulation induction for poor responders. Fertil Steril. 2008;90(6):2287-2290. https://doi.org/10.1016/j.fertnstert.2007.10.043.
  37. Xie Y, Zhang T, Tian Z, et al. Efficacy of intrauterine perfusion of granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) for Infertile women with thin endometrium: A systematic review and meta-analysis. Am J Reprod Immunol. 2017;78(2). https://doi.org/10.1111/aji.12701.
  38. Kamath MS, Chittawar PB, Kirubakaran R, Mascarenhas M. Use of granulocyte-colony stimulating factor in assisted reproductive technology: A systematic review and meta-analysis. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 2017;214:16-24. https://doi.org/10.1016/j.ejogrb.2017.04.022.
  39. Li J, Mo S, Chen Y. The effect of G-CSF on infertile women undergoing IVF treatment: A meta-analysis. Syst Biol Reprod Med. 2017;63(4):239-247. https://doi.org/10.1080/19396368.2017.1287225.
  40. Zhang L, Xu WH, Fu XH, et al. Therapeutic role of granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) for infertile women under in vitro fertilization and embryo transfer (IVF-ET) treatment: a meta-analysis. Arch Gynecol Obstet. 2018;298(5):861-871. https://doi.org/10.1007/s00404-018-4892-4.
  41. Aleyasin A, Abediasl Z, Nazari A, Sheikh M. Granulocyte colony-stimulating factor in repeated IVF failure, a randomized trial. Reproduction. 2016;151(6):637-642. https://doi.org/10.1530/REP-16-0046.
  42. Barad DH, Yu Y, Kushnir VA, et al. A randomized clinical trial of endometrial perfusion with granulocyte colony-stimulating factor in in vitro fertilization cycles: impact on endometrial thickness and clinical pregnancy rates. Fertil Steril. 2014;101(3):710-715. https://doi.org/10.1016/j.fertnstert.2013.12.016.
  43. Eftekhar M, Sayadi M, Arabjahvani F. Transvaginal perfusion of G-CSF for infertile women with thin endometrium in frozen ET program: A non-randomized clinical trial. Iran J Reprod Med. 2014;12(10):661-666.
  44. Gleicher N, Kim A, Michaeli T, et al. A pilot cohort study of granulocyte colony-stimulating factor in the treatment of unresponsive thin endometrium resistant to standard therapies. Hum Reprod. 2013;28(1):172-177. https://doi.org/10.1093/humrep/des370.
  45. Mishra VV, Choudhary S, Sharma U, et al. Effects of Granulocyte Colony-Stimulating Factor (GCSF) on Persistent Thin Endometrium in Frozen Embryo Transfer (FET) Cycles. J Obstet Gynaecol India. 2016;66(Suppl 1):407-411. https://doi.org/10.1007/s13224-015-0775-9.
  46. Scarpellini F, Sbracia M. Use of granulocyte colony-stimulating factor for the treatment of unexplained recurrent miscarriage: a randomised controlled trial. Hum Reprod. 2009;24(11):2703-2708. https://doi.org/10.1093/humrep/dep240.
  47. Scarpellini F, Sbracia M. The use of G-CSF for implantation failure in IVF: a clinical trial. Fertil Steril. 2011;96(3):S93. https://doi.org/10.1016/j.fertnstert.2011.07.359.
  48. Scarpellini F, Sbracia M. G-CSF treatment in the implantation failure with a fixed dose of 60 mcg/day: preliminary data of a controlled trial. Hum Reprod. 2013;28:145-146.
  49. Tehraninejad E, Davari Tanha F, Asadi E, et al. G-CSF Intrauterine for thin endometrium, and pregnancy outcome. J Family Reprod Health. 2015;9(3):107-112.
  50. Xu B, Zhang Q, Hao J, et al. Two protocols to treat thin endometrium with granulocyte colony-stimulating factor during frozen embryo transfer cycles. Reprod Biomed Online. 2015;30(4):349-358. https://doi.org/10.1016/j.rbmo.2014.12.006.
  51. Патент РФ на изобретение № 2646578/ 05.03.2018. Глушаков Р.И., Тапильская Н.И. Способ повышения эффективности имплантации эмбриона в естественном цикле зачатия и в протоколах вспомогательных репродуктивных технологий. [Patent RUS No. 2646578/ 05.03.2018. Glushakov RI, Tapil’skaya NI. Sposob povysheniya effektivnosti implantatsii embriona v estestvennom tsikle zachatiya i v protokolakh vspomogatelʼnykh reproduktivnykh tekhnologiy. (In Russ.)]
  52. Atik RB, Christiansen OB, Elson J, et al. ESHRE guideline: recurrent pregnancy loss. Hum Reprod Open. 2018;2018(2):1-12. https://doi.org/10.1093/hropen/hoy004.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Effect of neutrophils on other immune cells: APRIL — a proliferation-inducing ligand; BAFF — B cell-activating factor; CCL(х), CXCL(х), LL(x) — chemokine signatures (based on chain modeling); HNPs — human neutrophil peptides; LAF — lymphocyte-activating factor; G-CSF — granulocyte colony-stimulating factor; IL(х) — interleukin signatures; DC — dendritic cells; Th — T-helper lymphocytes

Download (185KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2019 Tapilskaya N.I., Gzgzyan A.M., Kogan I.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».